[01731925]矿山建设安全系统复用型高性能物联网关键技术研究及应用

1.科学技术领域：本项目属于工业领域，应用于矿井建设安全监控。2.主要内容：近年来，矿山生产建设过程中频繁发生的重大安全事故，已经引起了党中央、国务院的高度重视，并引起社会的广泛关注。国家煤矿安全监察局2010年11月17日要求，我国已确定“监测监控、人员定位、通信联络、紧急避险、压风自救、供水施救”六大安全避险系统建设完善的时间表。我国几乎所有的矿山生产建设都面临公共安全生产问题，这其中固然有很多因素，但各矿山建设企业安全监测监控技术不完备、管理手段落后也是造成事故频发的重要原因之一。随着国家对矿山安全的重视程度不断加强，作为国内矿山建设龙头企业－－中煤矿山建设集团有限责任公司也希望建立起各种安全、生产监控系统，对矿井人员、设备、环境灾害等安全信息进行监测控制，对保证矿山的安全和正常生产起了重要作用。 矿山的综合自动化系统，基于工业以太网环网增强通信的冗余性，为信息提供了实时、可靠的骨干传输结构。但是，由于矿山井下作业环境复杂，有线通信网络无法达到一些区域，有限的监测点也无法全方位监测采掘工作面等安全关键区域的灾害信息，现有的有线通信网络在矿山井下范围内存在盲区，无法实现对工作面等关键区域的通信覆盖。因此，需要改进信息网络分布的合理性和冗余度，以减少矿山井下信息监测的盲区，提高信息传输的实时性和可靠性，增强安全信息监控系统的应急通信联络能力。 物联网技术为未来矿山安全开采和重大灾害防治，建立统一的煤矿安全生产与预警救援新体系提出了新的思路和方法。作为传感器网络一个重要的应用领域，基于物联网技术的矿井安全生产网络系统将传感器技术、通信技术、分布式计算技术、控制技术与现代化采矿技术紧密结合，动态的获取相关信息并实现矿山安全生产过程的可靠控制。因此，安全生产物联网系统理论与关键技术是矿山建设、井下作业安全检测、远程控制和应急救援的基础，是地下无人作业采矿和数字化矿山研究的核心内容之一。 “矿山建设安全系统复用型高性能物联网关键技术研究及实施”项目是以物联网为枢纽，集合上述多种技术，针对矿山井下的监测监控点和人员定位点不断运动，通信联络网络节点随载体不断变化，网络拓扑结构高动态改变等特点，研究低功耗的EQ-MAC协议，研究容迟移动无线网络（Delay -Tolerant Mobile Sensor Networks，DTMSNs）降低能量和信道资源的浪费，研究对网络节点硬件要求低且满足精度要求的基于弹簧模型的定位算法以满足井下动态实时人员定位的要求，设计基于三维GIS的井下人员与环境在线实时监测监控系统，研制井下有线/无线低功耗传感网络监控主站（协调器）、监控分站（路由器）、采集节点（终端器）、井下语音/图像/数据信息传输平台等系列产品，以及救援通信网络的自愈自组织快速启动方式和相关的动态网络管理方法，构建的满足矿山建设公共安全监控与预警及救援管理需求的专用复用型高性能物联网关键技术方案，为矿山建设与生产企业的公共安全监测监控、人员定位、通信联络提供有机统一的管理平台。 矿山建设安全系统复用型高性能物联网关键技术研究及实施由以下三大部分组成： ◆ 基于三维GIS的井下动态在线可视化实时监测监控与预警及救援辅助决策子系统； ◆ 便携式环境监测数据/实时音频/实时视频传输平台与无线通信联络自组网络以及救援通信网络自愈快速启动子系统； ◆ 人员与移动设备无线传感器动态定位以及多区域的井下环境监测与信息融合子系统。 项目实施为矿山建设行业提供以下产品： 1、井下作业人员定位标识卡：其基于标准IEEE802.15.4协议栈和自主研发的超低功耗EQ-MAC协议，提供井下作业人员定位功能，且依靠基于卡尔曼滤波的移动节点位置预估和基于弹性粒子网络模型的移动节点定位算法可实现最大误差5米的定位精度； 2、井下作业人员移动对讲机、移动拍照机：其基于标准IEEE802.15.4协议栈和自主研发的低复杂度语音、图像压缩算法，提供井下作业人员与井上控制中心之间的实时语音、图像数据传输功能； 3、井下有线/无线监控分站：负责IEEE802.15.4协议和Wifi协议设备接入和数据转发，同时还可采集多种传感器数据，为系统提供网络支撑和环境参数监测功能； 4、井下作业人员VoIP通话设备：其基于标准Wifi协议和自主设计的VoIP通信软件，可在安卓、IOS等多种平台设备上提供井下、井上人员之间的通话、呼叫、强插、强拆等通讯联络功能，同时基于自主研发的QoS 控制技术能够保证在网络丢包30%以上语音和视频通话还能正常工作，话音清晰； 5、井下动态可视化安全生产监测监控系统平台：其基于.NET与ArcGIS平台，可在矿井生产过程中提供数字化通信与管理、监控环境危险因素（瓦斯、通风、温度等）及人员/设备状态、模拟井下环境、演练事故逃生与救援等功能，并基于2-D与3-D相结合视角，为用户呈现更加生动、逼真的矿井井下生产环境和工程项目的安全监测、监控信息、通信信息等动态过程数据。 项目创新点为： 1、理论与方法创新 (1)低能耗MAC协议理论研究 项目产品中的EQ-MAC协议在延用传统MAC协议优点的同时，针对井下特殊应用环境自行设计的容迟移动传感器网络具有的高动态和稀疏网络拓扑结构特点，引入免前导码的异步占空比机制，并从通信握手、邻居更新、拓扑维护、信道管理四方面着手，设计了低能耗的EQ-MAC协议。其通过引入一种最小主动探测报文MAEP来完成每次发送前的邻居状态更新，实时的邻居状态有效的控制了传输失败现象；同时利用MAEP实现传输发起、碰撞控制、拓扑维护等功能，能量和信道资源的浪费。 (2)低复杂度语音、图像压缩算法理论研究 项目产品针对传统的语音压缩CELP算法提出了调整感觉加权滤波器、利用简单互相关简化自适应码本搜索和固定码本逆滤波等算法降低运算复杂度，可以在一款低功耗嵌入式处理器上将128Kbits/s的语音数据压缩至8Kbits/s，同时具有很小的失真度，以实现在窄带ZigBee网络下语音的双向传输。 项目产品针对传统图像压缩算法提出了调整视觉疏松滤波方法，并通过引入图像信源交织算法，降低图像无线传输的误码率提高图像传输速度，可保证3-5秒传输一帧图像。 (3)基于认知无线电的矿井下物联网无线频谱切换算法 为了减小矿井下复杂电磁环境对物联网数据传输的干扰，本项目提出了一种预测信道空闲时间（Prediction of the channel idle time, PCIT）的动态频谱切换方法。该方法以已知状态序列的隐马尔可夫模型(known-state sequence hidden Markov model，KSS-HMM)为基础，预测未来信道空闲时间期望值及传输数据包的数量，求备选信道集，若主用户需要进行频谱切换，比较备选信道的传输数据量，以确定切换的目标信道，以提高物联网系统数据传输的成功率和吞吐量。 2、技术与结构创新 (1)基于ZigBee的全双工实时语音传输技术 项目产品基于低能耗的EQ-MAC协议和低复杂度语音压缩算法理论研究，并设计了“乒乓”方式语音缓冲区处理算法，实现了基于ZigBee的全双工实时语音传输技术，为井下工作人员和井上监控人员提供了全双工实时通话或广播通话服务。 (2)基于三维动态GIS的在线可视化矿井安全生产状态实时监控技术 目前国内相关的矿山软件系统，均侧重于二维数据的管理与分析，对三维巷道的表达尚不成熟，在可视化和空间分析方面功能有限，且基于JPEG贴图方式的软件界面简陋、功能单一，无法真实反映矿井安全生产状态和人员设备的移动情况。项目产品中的三维GIS的井下动态在线可视化实时监测监控系统完成地图数据、实时语音图像动态数据与井下环境监测静态数据的有机结合,实现对井下环境、人员/设备、预警信息的实时动态在线监测，并提供查询历史监测信息的功能，并结合图符形象化呈现监测数据的变化。 (3)井下人员定位多媒体技术 基于上述理论和技术创新，项目产品在传统井下人员定位系统的基础上，提供了全双工实时通话或广播通话服务、实时图像传输服务、井下安全状况三维可视化实时监测服务和井下智能手机终端与井上控制中心间的VoIP高清语音、高清视频通信，是一种井下人员定位多媒体技术创新。 因此，着眼于国内外研究实施的先进水平，充分利用物联网技术资源，建立“矿山建设安全系统复用型高性能物联网关键技术研究及实施”，对促使矿山建设安全管理上一新台阶具有实际意义，在全国矿山建设中具有重要推广应用价值。 3.性能特点及技术经济指标 (1)调度中心主机与通信分站之间通信：传输方式TCP/IP；传输速率100Mbps； (2)通信分站与监控基站之间通信：传输方式CANBUS；速率120Kbps；最大距离10km。 (3)Zigbee无线通信：IEEE802.15.4；工作频率2.4GHz；传输速率250KHz；移动节点设备到监控基站的无线传输距离：0～200m（无遮挡）。 (4) WiFi无线通信：IEEE802.11.b/g；工作频率2.4GHz；传输速率23MHz；移动节点设备到监控基站的无线传输距离：0～100m（无遮挡）。 (5)系统最大监控容量：通信分站数量≤64台，监控基站数量≤256台。识别卡数量不小于8000个。 (6)存储时间：主要工作地点的信息记录应保存6个月以上。当主机发生故障时，丢失上述信息的时间长度应不大于3min；监控基站存储数据时间不小于2h。 (7)巡检周期：系统的巡检周期不大于30s 。 (8)识别卡数量：识别卡并发识别数不小于80。 (9)最大位移速度：携识别卡人员和车辆的最大位移速度不大于10m/s。 (10)识别卡电池寿命：识别卡为可更换电池，电池寿命不小于1年。 (11)备用电源工作时间：在电网停电后，备用电源能保证系统连续监控时间不小于2h。 (12)远程本安供电距离：电源的本安供电距离≤2km。 (13) 系统可实现井下作业人员管理功能，且具体指标满足中华人民共和国安全生产行业标准《AQ1048-2007煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》要求。 (14) 系统支持无线Zigbee移动对讲机接入，且支持移动对讲机与控制中心、移动对讲机与移动对讲机之间的实时语音通话功能。 (15) 系统支持无线Zigbee移动拍照机接入，移动拍照机除包含移动对讲机功能外还支持移动拍照机拍摄照片上传至控制中心。 (16) 系统支持无线WiFi智能手机和VoIP电话机接入，且支持手机、电话机之间的VoIP语音通话，并支持手机拍摄图片、视频上传至控制中心，可接入VoIP电话数量≤32部。 (18) 系统支持网络视频监控摄像机接入，且监控画面个数可任意配置。 (19) 系统监控基站可实现基站与控制中心实时语音通话功能、人员定位数据传输功能、最多支持16路传感器接入（传感器类型为模拟量（100～1000Hz，DC 18V）、开关量（DC 18V ）、每种传感器数量可任意配置、最多支持8路继电器（AC 10A/250V～10A/120V，DC 6A/250V～10A/24V )输出控制。 4.效益及应用推广情况 中煤矿山建设集团在2011年开始进行项目研制，累计投入研制经费722.61万元，项目研制成功，先后在中煤矿建30工程处、71工程处等项目部推广使用，其建设费总额为：525.00万元，系统采用“定位系统、通信联络系统及检测监控系统”三网合一设计施工方法，工期缩短20天，节约固定成本费用共计113.40万元；采用新系统与传统独立系统的比较，节约工程直接费170.70万元，合计增效为113.40+170.70=284.10万元。 系统和设备在运行期间，工作稳定，建立了人员定位、通信联络、监测监控三大系统统一的数字化矿山综合监管平台，有效地提高了项目部安全生产管理效能，2012年度及2013年度节约开支1200万元。 本系统的实施，促进矿山建设安全生产、人员管理等效能，在获得经济效益的同时，取得了良好的社会效益，为下一步进推广积累了丰富的工程经验。